(57)【要約】【課題】  位置の推定精度が高く、一層の小型化及び軽量化が図れる磁気軸受を提供する。【解決手段】  ステータ１と、このステータ１に磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータ２とを有する磁気軸受において、ステータ１が、ロータ２と対向しロータ２に磁束を供給する複数の永久磁石１６の先端に磁束センサ１７を設ける。磁束センサ１７は、永久磁石１６とロータ２との間のギャップ変化をそれらの間に発生する磁束の変化として検出する。【選択図】  図１
2005061580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、
前記ステータは、
前記ロータと対向し前記ロータに磁束を供給する複数の永久磁石と、
これら複数の永久磁石の先端に装着されて前記ロータとの間のギャップを検出する磁束センサと
を有することを特徴とする磁気軸受。
【請求項２】
ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、
前記ステータは、
前記ロータに向けて径方向に突設されて先端の磁束集中部が前記ロータに対して所定のギャップを介して対向する励磁コイルを有する複数の主極と、
前記複数の主極の磁束集中部に対してそれぞれ周方向にずれた位置に配置され先端が第１極性となりこれと隣接する前記主極の磁束集中部が第２極性となるようにバイアス磁束を供給する永久磁石を有する複数の補極と、
前記複数の補極の永久磁石の先端に装着されて前記ロータとの間のギャップを検出する磁束センサと
を有することを特徴とする磁気軸受。
【請求項３】
前記複数の補極は、９０°の間隔で配置された４つの補極であり、
これら補極の先端に装着された４つの磁束センサのうち対向する磁束センサの出力の差分から前記ステータに対する前記ロータの変位を検出し、前記励磁コイルの電流値を制御する制御回路を備えたことを特徴とする請求項２記載の磁気軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気力によってロータを非接触状態で支持する磁気軸受に関し、特にステータとロータとのギャップを検出するセンサを備えた磁気軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気軸受は、回転体を非接触で支持することができるため、各種の軸受に利用されてきている。しかし、磁気浮上は本来不安定であり、浮上量を検出し、フィードバック制御によって安定化する必要がある。浮上量を検出するセンサとしては、渦電流センサ、インダクタンスセンサ等があるが、これらは一般に高価であり、また、センサを設置するスペースが限られるという問題がある。また、磁気軸受とセンサとを離して設置する必要があるため、フィードバック系の安定領域狭く、安定化に苦労する等の問題があった。特に、最近では、超小型回転体用の磁気軸受が要望されており、センサの設置スペースが限定されることは、小型化をする上での大きな障害となる。
【０００３】
この問題を解決する有力な方法として、近年、磁気軸受の電磁石をセンサとして利用するセルフセンシング技術も研究されている（特許文献１）。セルフセンシング技術を利用した磁気軸受の位置検出原理は次の通りである。すなわち、ロータの位置が変化すると、磁気軸受の磁極からロータまでの距離（ギャップ）が変化し、これによって磁極のインダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化を何らかの方法で検出することにより、ギャップを推定することができる。従来は、電磁石の励磁コイルに高周波の信号を重畳させ、高周波成分の電流及び電圧からロータの変位を推定する方法や、ロータ磁気軸受系の数学モデルを構築し、これにより変位推定のオブザーバを作成する方法等が試みられてきた。
【特許文献１】特開２００１−１７７９１９公報（段落０００３〜０００５、図１，図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述した従来のセルフセンシングによる磁気軸受は、変位センサを別途使用する方法に比べると、位置の推定精度が悪く、実用になる方法はまだ開発されていない。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、位置の推定精度が高く、一層の小型化及び軽量化が図れる磁気軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る第１の磁気軸受は、ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、前記ステータが、前記ロータと対向し前記ロータに磁束を供給する複数の永久磁石と、これら複数の永久磁石の先端に装着されて前記ロータとの間のギャップを検出する磁束センサとを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る第２の磁気軸受は、ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、前記ステータが、前記ロータに向けて径方向に突設されて先端の磁束集中部が前記ロータに対して所定のギャップを介して対向する励磁コイルを有する複数の主極と、前記複数の主極の磁束集中部に対してそれぞれ周方向にずれた位置に配置され先端が第１極性となりこれと隣接する前記主極の磁束集中部が第２極性となるようにバイアス磁束を供給する永久磁石を有する複数の補極と、前記複数の補極の永久磁石の先端に装着されて前記ロータとの間のギャップを検出する磁束センサとを有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２の磁気軸受の一つの実施形態では、前記複数の補極が９０°の間隔で配置された４つの補極であり、これら補極の先端に装着された４つの磁束センサのうち対向する磁束センサの出力の差分から前記ステータに対する前記ロータの変位を検出し、前記励磁コイルの電流値を制御する制御回路を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の第１の磁気軸受によれば、ステータが、ロータと対向しロータに磁束を供給する複数の永久磁石を有しているので、永久磁石とロータとの間のギャップに生成される磁束は、ギャップの大きさの逆数で変化する。この磁束の変化を永久磁石の先端に装着された磁束センサで検出することにより、ロータの変位を精度良く検出することができる。
【００１０】
また、本発明の第２の磁気軸受によれば、ロータに向けて突設された複数の主極の磁束集中部に対して、バイアス磁束を供給する永久磁石を有する補極の先端が、周方向にずれた位置に配置され、補極の先端が第１極性となりこれと隣接する主極の磁束集中部が第２極性となるように磁気回路が形成される。そして、複数の主極にのみ巻回された励磁コイルによって発生磁束を制御してラジアル方向の磁気力を制御し、補極の先端に設置された磁束センサでロータの変位を検出するようにしている。このため、本発明によれば、主極の励磁コイルによって生成される制御磁束と、補極によるバイアス磁束とをほぼ独立した磁気回路とすることができ、相互の干渉を少なくして、制御応答性を高めることができると同時に、磁束センサでの変位検出に制御磁束の影響を排除することができる。
【００１１】
また、制御磁束を発生させる主極と、バイアス磁束を発生させる補極の周方向位置をずらしたことにより、主極とロータとの間のギャップと、補極とロータとの間のギャップを、それぞれに適した個別のギャップとすることもできる。従って、例えば補極とロータとのギャップを主極とロータとのギャップよりも大きく設定することもでき、これにより磁束センサの配置スペースを十分に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付の図面を参照して、この発明の好ましい実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る４極型の磁気軸受の構成を示す断面図である。
磁気軸受は、外側に配置された環状のステータ１と、このステータ１の内側に配置されたロータ２とを有する。
ステータ１は継鉄１１を含む。継鉄１１は、積層鋼板等の磁性材料からなり、環状部１２と、この環状部１２の内周側から中心に向けて突出し周方向に４５°の間隔で交互に配置された各４つの主突極部１３及び補突極部１４とを有する。４つの主突極部１３には、それぞれ励磁コイル１５が巻回され、この励磁コイル１５と主突極部１３とで主極３が構成されている。４つの主突極部１３と４５°位相がずれた４つの補突極部１４の先端には、それぞれ、バイアス磁束の生成用の永久磁石１６が第１の極性（例えばＮ極）を先端側にして装着されている。この永久磁石１６と補突極部１４とで補極４が構成されている。そして、この補極４の先端、すなわち永久磁石１６のＮ極側に磁束センサ１７が装着されている。磁束センサ１７としては、例えばホールセンサ、磁気抵抗センサ等を用いることができる。
【００１３】
一方、ロータ２は、少なくとも外周部に積層鋼板や電磁材料等の磁性体を配したもので、ステータ１の内側に配置されている。ロータ２の外周面と主突極部１２の先端とのギャップは、例えば１ｍｍ、ロータ２の外周面と磁束センサ１７とのギャップは、例えば２ｍｍというように、主極３及び補極４のロータ２に対するギャップは、それぞれ個別に設定することもできる。また、永久磁石１６から供給されるバイアス磁束は、一度ロータ２に達し、ロータ２から主極３に達するように、主極３と補極４の間隔は、上述したギャップの２倍以上となるように設定することが望ましい。
【００１４】
このような磁気軸受によれば、図１に点線矢印で示すように、永久磁石１６の先端側がＮ極に着磁されているので、永久磁石１６によって生成されるバイアス磁束Φｂが、補極４の先端からロータ２を介して両側で隣接する主極３に至り、更に環状部１２を介して補極４に戻る経路に形成される。これにより、主極３の先端（磁束集中部）はＳ極となる。また、対向する主極３の励磁コイル１５同士を直列に接続し、電流の向きを同じ向きとする、即ち対向する主極３の対向面を互いに異なる極とするように励磁することにより、主極３の励磁コイル１５で生成される制御磁束Φｃは、一方の主極３の磁束を強め、他方の主極３の磁束を弱めるように作用する。これにより、ラジアル方向の力が発生しラジアル軸受としての機能を発揮する。制御磁束Φｃは、主極３同士を介した経路、つまりバイアス磁束Φｂの経路とは独立した経路に形成されるので、制御磁束Φｃが、バイアス磁束Φｂに影響されることが少なく、制御力及び制御応答性が向上する。
【００１５】
また、バイアス磁束Φｂは、制御磁束Φｃの影響を受けないので、バイアス磁束Φｂは、補極４とロータ２との間のギャップの変化にのみ応答して変化するものと考えられる。このため、このギャップの磁束変化を、磁束センサ１７で検出することにより、ロータ２の変位を高精度に推定することができる。
いま、図１に示すようなｘｙ座標系を設定し、ロータ２のｘ方向及びｙ方向の変位をそれぞれｘ，ｙ、ロータ２と補極４との平均ギャップをｇａ、磁束センサ１７が検出するギャップを図１の右上から時計回りに順番にｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４とすると、各磁束センサ１７が検出するギャップｇ１〜ｇ４は、
【００１６】
【数１】
2005061580.tif 000003
【００１７】
で表わされる。
従って、ロータ２のｘ，ｙ方向の変位ｘ，ｙは、
【００１８】
【数２】
2005061580.tif 000004
【００１９】
と求めることができる。ちなみに、磁束センサ１７が実際に検出するのは磁束Φｂであり、この磁束Φｂはギャップの逆数で変化する。しかし、通常、ロータ２の変位は微少であるから、ギャップは、磁束Φｂの変化に符号を反転させた値で近似することができる。
【００２０】
図２は、以上の点を踏まえて、本実施形態の磁気軸受を制御する制御回路を構成した例を示す図である。
４極の磁束センサ１７から出力される信号は、ギャップｇ１〜ｇ４の変化の符号を反転させた信号であり、これらの信号は、センサアンプ２１，２２，２３，２４でそれぞれ増幅されたのち、数２を実行する演算回路２５，２６，２７，２８によってｘ方向変位信号及びｙ方向変位信号に変換される。これらの変位信号は、ｘ方向コントローラ２９及びｙ方向コントローラ３０にそれぞれ入力される。ｘ方向コントローラ２９及びｙ方向コントローラ３０は、それぞれｘ方向変位信号及びｙ方向変位信号に基づいて、例えばＰＩＤ制御信号を出力し、これをパワーアンプ３１，３２を介して、各主極３の励磁コイル１５にフィードバックする。このように、ｘ，ｙ方向で独立して制御することにより、ラジアル方向の位置決めが可能になる。また、このように、対向する主極３の励磁コイル１５同士を直列に接続することにより、２極分を１つのパワーアンプで駆動することができる。
【００２１】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る４極型の磁気軸受を示す断面図である。
この実施形態では、補突極部を省略し、主突極部と主突極部とを跨ぐように永久磁石を配置した例である。
ステータ４１を構成する４つの主極４３の主突極部５３の先端の互いに隣接する角部を連絡するように、円弧状の永久磁石４６が配置され、この永久磁石４６で補極４４が形成されている。永久磁石４６の背面の主突極部５３は、周方向に張り出してバックヨーク５４を形成している。周方向に隣接するバックヨーク５４間には、所定のギャップが形成されている。永久磁石４６の前面には、磁束センサ４７が装着されている。
この実施形態のものは、図１のものに比べて補突極部がない分だけ小型化を図ることが可能である。また、励磁コイル４５で生成される制御磁束Φｃの通過断面積を広くとることができるという利点がある。
【００２２】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る３極アウターロータ型の磁気軸受を示す断面図である。
この実施形態では、ステータ６１が内側、ロータ６２が外側に配置される。ステータ６１の継鉄７１は、積層鋼板等の磁性体からなる円板状部７２と、この円板状部７２の外周側から外側に向けて放射状に突出し、周方向に３０°間隔で交互に配置された３つの主突極部７３及び補突極部７４とを有する。継鉄７１の主突極部７３と、この主突極部７３に巻回された励磁コイル７５とで主極６３が形成され、継鉄７１の補突極部７４と、Ｎ極を先端側に向けて補突極部７４の先端に装着された永久磁石７６とで補極６４が形成されている。永久磁石７６の先端には、磁束センサ７７が装着されている。また、ロータ６２は、ステータ６１の主突極部７３の先端及び永久磁石７６の先端の磁束センサ７７と所定のギャップを介して対向する円筒状内周面を有する環状の磁性体で構成されている。
【００２３】
図５は、この３極型の磁気軸受を制御する制御回路を示す図である。
この例のように３極型の磁気軸受の場合には、３相モータの駆動回路を使用することができる。すなわち、３つの磁束センサ７７の出力信号は、３つのセンサアンプ８１，８２，８３で増幅され、３相２相変換回路８４に入力される。３相２相変換回路８４は、３つの磁束センサ７７で検出された変位信号をｘ，ｙ方向の２相方向の変位信号に変換する。このｘ，ｙ方向変位信号は、ｘ，ｙ方向コントローラ８５，８６に入力される。ｘ，ｙコントローラ８５，８６からのｘ方向及びｙ方向のＰＩＤ制御信号は、２相３相変換回路８７に入力され、ここで２相３相変換され、その変換３相出力が３相駆動回路８８に入力されて、３つの励磁コイル１５が３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）駆動される。これにより、各主極３３の一部の磁束は強められ、残りの磁束は弱められてラジアル方向の力が発生する。
【００２４】
このようなアウターロータ型の磁気軸受においても、本発明は適用可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。
【図２】同磁気軸受の制御回路を示す回路図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。
【図５】同磁気軸受の制御回路を示す回路図である。
【符号の説明】
【００２６】
１，４１，６１…ステータ、２，６２…ロータ、３，４３，６３…主極、４，４４，６４…補極、１３，５３，７３…主突極部、１４，７４…補突極部、１５，４５，７５…励磁コイル、１６，４６，７６…永久磁石、１７，４７，７７…磁束センサ。
【図１】
2005061580.tif 000005
【図２】
2005061580.tif 000006
【図３】
2005061580.tif 000007
【図４】
2005061580.tif 000008
【図５】
2005061580.tif 000009